随笔 - 76  文章 - 0  trackbacks - 0
<2019年8月>
28293031123
45678910
11121314151617
18192021222324
25262728293031
1234567

常用链接

留言簿

随笔分类

随笔档案

收藏夹

调试技巧

搜索

  •  

最新评论

阅读排行榜

评论排行榜

60天内阅读排行

开发高性能网络程序时,windows开发者们言必称iocp,linux开发者们则言必称epoll。

大家都明白epoll是一种IO多路复用技术,可以非常高效的处理数以百万计的socket句柄,比起以前的select和poll效率高大发了。

我们用起epoll来都感觉挺爽,确实快,那么,它到底为什么可以高速处理这么多并发连接呢?

原理介绍

先简单回顾下如何使用C库封装的3个epoll系统调用吧。

1 int epoll_create(int size);     2 int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);     3 int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout);   

使用起来很清晰,

1 首先要调用epoll_create建立一个epoll对象。参数size是内核保证能够正确处理的最大句柄数,多于这个最大数时内核可不保证效果。

2 epoll_ctl可以操作上面建立的epoll,例如,将刚建立的socket加入到epoll中让其监控,或者把 epoll正在监控的某个socket句柄移出epoll,不再监控它等等。

3 epoll_wait在调用时,在给定的timeout时间内,当在监控的所有句柄中有事件发生时,就返回用户态的进程。

从上面的调用方式就可以看到epoll比select/poll的优越之处:

因为后者每次调用时都要传递你所要监控的所有socket给select/poll系统调用,这意味着需要将用户态的socket列表copy到内核态,如果以万计的句柄会导致每次都要copy几十几百KB的内存到内核态,非常低效。

而我们调用epoll_wait时就相当于以往调用select/poll,但是这时却不用传递socket句柄给内核,因为内核已经在epoll_ctl中拿到了要监控的句柄列表。

所以,实际上在你调用epoll_create后,内核就已经在内核态开始准备帮你存储要监控的句柄了,每次调用epoll_ctl只是在往内核的数据结构里塞入新的socket句柄。

在内核里,一切皆文件。所以,epoll向内核注册了一个文件系统,用于存储上述的被监控socket。当你调用epoll_create时,就会在这个虚拟的epoll文件系统里创建一个file结点。当然这个file不是普通文件,它只服务于epoll。

epoll在被内核初始化时(操作系统启动),同时会开辟出epoll自己的内核高速cache区,用于安置每一个我们想监控的socket,这些socket会以红黑树的形式保存在内核cache里,以支持快速的查找、插入、删除。

这个内核高速cache区,就是建立连续的物理内存页,然后在之上建立slab层,简单的说,就是物理上分配好你想要的size的内存对象,每次使用时都是使用空闲的已分配好的对象。

 1 static int __init eventpoll_init(void)      2 {      3     ... ...      4       5     /* Allocates slab cache used to allocate "struct epitem" items */      6     epi_cache = kmem_cache_create("eventpoll_epi", sizeof(struct epitem),      7             0, SLAB_HWCACHE_ALIGN|EPI_SLAB_DEBUG|SLAB_PANIC,      8             NULL, NULL);      9      10     /* Allocates slab cache used to allocate "struct eppoll_entry" */     11     pwq_cache = kmem_cache_create("eventpoll_pwq",     12             sizeof(struct eppoll_entry), 0,     13             EPI_SLAB_DEBUG|SLAB_PANIC, NULL, NULL);     14      15  ... ...     

epoll的高效在于

当我们调用epoll_ctl往里塞入百万个句柄时,epoll_wait仍然可以飞快的返回,并有效的将发生事件的句柄给我们用户。

这是由于我们在调用epoll_create时,内核除了帮我们在epoll文件系统里建了个file结点,在内核cache里建了个红黑树用于存储以后epoll_ctl传来的socket外,还会再建立一个list链表,用于存储准备就绪的事件,当epoll_wait调用时,仅仅观察这个list链表里有没有数据即可。

有数据就返回,没有数据就sleep,等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。所以,epoll_wait非常高效。

而且,通常情况下即使我们要监控百万计的句柄,大多一次也只返回很少量的准备就绪句柄而已,所以,epoll_wait仅需要从内核态copy少量的句柄到用户态而已,如何能不高效?!

那么,这个准备就绪list链表是怎么维护的呢?

当我们执行epoll_ctl时,除了把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外,还会给内核中断处理程序注册一个回调函数,告诉内核,如果这个句柄的中断到了,就把它放到准备就绪list链表里。

所以,当一个socket上有数据到了,内核在把网卡上的数据copy到内核中后就来把socket插入到准备就绪链表里了。

如此,一颗红黑树,一张准备就绪句柄链表,少量的内核cache,就帮我们解决了大并发下的socket处理问题。

执行epoll_create时,创建了红黑树和就绪链表,执行epoll_ctl时,如果增加socket句柄,则检查在红黑树中是否存在,存在立即返回,不存在则添加到树干上,然后向内核注册回调函数,用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据。执行epoll_wait时立刻返回准备就绪链表里的数据即可。

最后看看epoll独有的两种模式LT和ET。无论是LT和ET模式,都适用于以上所说的流程。区别是,LT模式下,只要一个句柄上的事件一次没有处理完,会在以后调用epoll_wait时次次返回这个句柄,而ET模式仅在第一次返回。

这件事怎么做到的呢?

当一个socket句柄上有事件时,内核会把该句柄插入上面所说的准备就绪list链表,这时我们调用epoll_wait,会把准备就绪的socket拷贝到用户态内存,然后清空准备就绪list链表,

最后,epoll_wait干了件事,就是检查这些socket,如果不是ET模式(就是LT模式的句柄了),并且这些socket上确实有未处理的事件时,又把该句柄放回到刚刚清空的准备就绪链表了。

所以,非ET的句柄,只要它上面还有事件,epoll_wait每次都会返回。而ET模式的句柄,除非有新中断到,即使socket上的事件没有处理完,也是不会次次从epoll_wait返回的。

  1 /*     2  * Each file descriptor added to the eventpoll interface will     3  * have an entry of this type linked to the hash.     4  */     5 struct epitem {     6         /* RB-Tree node used to link this structure to the eventpoll rb-tree */     7         struct rb_node rbn;     8         //红黑树,用来保存eventpoll     9             10         /* List header used to link this structure to the eventpoll ready list */    11         struct list_head rdllink;    12         //双向链表,用来保存已经完成的eventpoll    13             14         /* The file descriptor information this item refers to */    15         struct epoll_filefd ffd;    16         //这个结构体对应的被监听的文件描述符信息    17             18         /* Number of active wait queue attached to poll operations */    19         int nwait;    20         //poll操作中事件的个数    21             22         /* List containing poll wait queues */    23         struct list_head pwqlist;    24         //双向链表,保存着被监视文件的等待队列,功能类似于select/poll中的poll_table    25             26         /* The "container" of this item */    27         struct eventpoll *ep;    28         //指向eventpoll,多个epitem对应一个eventpoll    29             30         /* The structure that describe the interested events and the source fd */    31         struct epoll_event event;    32         //记录发生的事件和对应的fd    33            34         /*    35          * Used to keep track of the usage count of the structure. This avoids    36          * that the structure will desappear from underneath our processing.    37 */    38         atomic_t usecnt;    39         //引用计数    40             41         /* List header used to link this item to the "struct file" items list */    42         struct list_head fllink;    43         双向链表,用来链接被监视的文件描述符对应的struct file。因为file里有f_ep_link,用来保存所有监视这个文件的epoll节点    44             45         /* List header used to link the item to the transfer list */    46         struct list_head txlink;    47         双向链表,用来保存传输队列    48             49         /*    50          * This is used during the collection/transfer of events to userspace    51          * to pin items empty events set.    52 */         53         unsigned int revents;    54         //文件描述符的状态,在收集和传输时用来锁住空的事件集合    55 };    56         57 //该结构体用来保存与epoll节点关联的多个文件描述符,保存的方式是使用红黑树实现的hash表.    58 //至于为什么要保存,下文有详细解释。它与被监听的文件描述符一一对应.    59 struct eventpoll {    60         /* Protect the this structure access */    61         rwlock_t lock;    62         //读写锁    63            64         /*    65          * This semaphore is used to ensure that files are not removed    66          * while epoll is using them. This is read-held during the event    67          * collection loop and it is write-held during the file cleanup    68          * path, the epoll file exit code and the ctl operations.    69 */    70         struct rw_semaphore sem;    71         //读写信号量    72             73         /* Wait queue used by sys_epoll_wait() */    74         wait_queue_head_t wq;    75         /* Wait queue used by file->poll() */    76             77         wait_queue_head_t poll_wait;    78         /* List of ready file descriptors */    79             80         struct list_head rdllist;    81         //已经完成的操作事件的队列。    82             83         /* RB-Tree root used to store monitored fd structs */    84         struct rb_root rbr;    85         //保存epoll监视的文件描述符    86 };    87     88 //这个结构体保存了epoll文件描述符的扩展信息,它被保存在file结构体的private_data    89 //中。它与epoll文件节点一一对应。通常一个epoll文件节点对应多个被监视的文件描述符。    90 //所以一个eventpoll结构体会对应多个epitem结构体。那么,epoll中的等待事件放在哪里呢?见下面    91 /* Wait structure used by the poll hooks */    92 struct eppoll_entry {    93         /* List header used to link this structure to the "struct epitem" */    94         struct list_head llink;    95         /* The "base" pointer is set to the container "struct epitem" */    96         void *base;    97         /*    98          * Wait queue item that will be linked to the target file wait    99          * queue head.   100 */   101         wait_queue_t wait;   102         /* The wait queue head that linked the "wait" wait queue item */   103         wait_queue_head_t *whead;   104 };   105    106 //与select/poll的struct poll_table_entry相比,epoll的表示等待队列节点的结   107 //构体只是稍有不同,与struct poll_table_entry比较一下。   108 struct poll_table_entry {   109         struct file * filp;   110         wait_queue_t wait;   111         wait_queue_head_t * wait_address;   112 };  
posted on 2019-08-14 18:41 长戟十三千 阅读(27) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: 编程技巧随笔

只有注册用户登录后才能发表评论。
【推荐】超50万行VC++源码: 大型组态工控、电力仿真CAD与GIS源码库
网站导航: 博客园   IT新闻   BlogJava   知识库   博问   管理